Види захисного заземлення, яким чином виконуються

Структурні елементи можливої мережі замикання на землю та послідовність включення цих елементів в мережу залежать від конструктивних особливостей мережі, замикання на землю обов'язковим є структурний елемент "земля".

Земля є специфічним провідником електричного струму - неоднорідним і нелінійним - зі змінною площею поперечного перерізу. Тому, при проходженні струму в землі, на п поверхні виникає специфічне поле потенціалів, характер якого визначається конструкцією заземлювача, параметрами електричної мережі, властивостями ґрунту тощо.

Більш детально зупинимось на явищі протікання струму в землі для напівсферичного заземлювача, який знаходиться на поверхні землі (рисунок6):

Рисунок 6 - Розподіл потенціалів на поверхні землі в зоні розтікання струму

Для такого заземлювача, при умові однорідності і електричній ізотропності грунту, можна вважати, що струм у всіх напрямках буде розтікатись рівномірно - як показано стрілками на рисунку, а його величина в будь-якому поперечному перетині провідника "земля" буде дорівнювати І_{3 3}.

При цьому площа поперечного перерізу провідника "земля" Ѕ, за зроблених допущень (однорідність грунту) буде визначатися пло­щею поверхні півкулі радіусом r_і. Зі збільшенням (зменшенням) r_і, площа поперечного перерізу провідника "земля" буде збільшуватись (зменшуватись) пропорційно квадрату r_і (Ѕ_і=2πr_і²), а опір проход­женню струму буде, відповідно, зменшуватись або збільшуватись.

Падіння напруги на будь-якій ділянці електричної мережі, в тому числі і при проходженні струму в землі, ΔU залежить від величини струму і від електричного опору R.

Тому на поверхні землі в зоні розтікання струму між рівновіддаленими в радіальному напрямку точками (при однакових І) ΔU буде тим більше, чим ближче ці точки будуть до місця замикання на землю.

Із цієї причини, відповідно до приведеного, на поверхні землі в зоні розтікання струму виникає локальне поле підвищених потенціалів радіусом близько 20 м, розподіл потенціалів (φ_гі) в якому відносно нульового потенціалу землі (φ₀) подібний приведеному на рисунку 1.

При переміщенні людини в зоні розтікання струму в землі (рисунок 1) її ноги будуть торкатися ділянок землі з різними потенціалами, а на людину буде діяти напруга, яка визначається різницею цих потенціалів і відома під назвою напруга кроку (U_к) - різниця потенціалів між двома точками на поверхні землі в зоні розтікання струму, які знаходяться на відстані кроку (0,8 м) одна від одної. З наближенням до місця замикання на землю величина напруги кроку буде зростати, і вона може досягти небезпечних для людини значень вже при напрузі електроустановок 0.4 кВ, а в сиру погоду та за зволо­женого ґрунту і при меншій напрузі. Тому Правила безпечної експлуатації електроустановок споживачів при наявності замикання на землю забороняють наближатися до місця замикання ближче 8 м поза приміщенням і 4 м в приміщенні без застосування засобів захисту діелектричні боти, калоші, суха дошка, сухе гумове взуття тощо.

У цілому, заходи захисту людини від дії напруги кроку зводяться до розірвання мережі струму через людину по петлі "нога-нога", або різкого збільшення опору в цій петлі за рахунок використання різних підручних засобів. За необхідності невідкладного входу в зону небезпечних напруг кроку для надання допомоги потерпілим і відсутності під рукою засобів захисту, доцільно переміщуватися в цій зоні обережно, пересуваючи ступні по землі так, щоб вони постійно торкались одна другої.

Фізичні основи електробезпеки

Як зазначалось вище, величина струму, що проходить через тіло людини при її попаданні під напругу, в найбільшій мірі визначаї тяжкість ураження. Для розробки технічних і організаційно-технічних заходів і засобів профілактики електротравм важливо знати, від яких конструктивних особливостей електроустановок, їх робочих параметрів і стану залежить можлива величина струму через людину при потраплянні під напругу. Крім того, важливо, щоб весь електротехнічний персонал, усі працівники, робота яких пов'язана з експлуатацією електроустановок, чітко розуміли, чим об­умовлена, що є причиною тієї чи іншої вимоги з електробезпеки. Таке знання, розуміння вимог чинних нормативів з електробезпеки сприятиме дотриманню їх працівниками, і якраз розуміння цих вимог відрізняє працівників п'ятої групи з електробезпеки від четвертої, і є обов'язковою складовою їх професійної підготовки з питань безпеки.

У реальній електричній мережі (повітряній чи кабельній) опір ізоляції проводів відносно землі розподіляється по всій довжині мережі — опорні, підвісні, натяжні ізолятори, ізоляція кабелю. Чим більша протяжність мережі, тим більше ізоляторів, які працюють паралельно, і менший загальний опір ізоляції проводів відносно землі. Необхідний опір ізоляції регламентується чинними нормативами. На практиці ізоляція струмопроводів виконується з реальних діелектриків, питомий опір яких не дорівнює нескінченності. Внаслідок старіння ізоляції, її частого зволоження, забруднення, нагріву, дії агресивного середовища тощо, питомий опір ізоляції знижується. Тому кожна ділянка довжини проводу має опір ізоляції певного значення або провідність, яка відрізняється від нуля, а при роботі реальної мережі мають місце постійні втрати струму (виток струму) через ізоляцію і землю. Таким чином, незважаючи на наявність ізоляції, токопроводи електромережі електрино зв’язані між собою і землею провідниками (ізоляцію) з великим опором.

Крім того, два провідники, розділені будь-яким діелектриком, у тому числі і проводи електромережі, мають властивість накопичувати вільні електричні заряди однакової величини і різного з тану, якщо їх хоч на деякий час під’єднати до джерела електроенергії, тобто створити в розділяючому їх просторі електричне поле. При цьому величина накопичених зарядів пропорційна напрузі між провідниками залежить від геометричних розмірів електродів (проводів — пластин конденсатора) та діелектричної проникності діелектрика, що розділяє електроди. Відповідно до зазначеного вище, кожна ділянка довжини проводу електромережі, що знаходиться під напругою, крім опору ізоляції має певну ємність відносно землі.

Тому при дотиці людини до неізольованої струмовідної частини (проводу тощо) функціонуючої електромережі струм через людину обумовлюється величиною напруги дотику і ємністю зазначеної више системи, тобто

де І_А - складова струму, обумовлена напругою дотику, А;

І_с - ємнісна складова струму замикання на землю, А.

Ємнісна складова струму через людину при потраплянні під напругу І_с в розгалужених мережах може досягати небезпечних для людини значень. Тому навіть при відключенні мережі від джерела живлення для ремонтно-профілактичних робіт тощо, необхідно заземлити кожен провід переносним заземленням і тільки після цього та перевірки відсутності напруги допускати персонал до роботи.

Трифазна мережа, ізольована від землі

На рисунку 7, відповідно до зазначеного вище, наведена принципова схема трифазної мережі, ізольованої від землі. На схемі для наглядності опори ізоляції фаз відносно землі показані зосередженими. Мережа підключена до вторинної обмотки трансформа тора живлення - Тр.

При доторканні людини до фазного проводу 1, виникає мережа струму замикання на землю. Основні елементи цієї мережі: "фаз ний провід 1" - "людина паралельно з опором ізоляції цього про воду відносно землі r₁" - "земля" - "опори ізоляції проводів 2 і,'5 відносно землі r₂ і r₃" - фазні проводи 2 і 3. Як видно з рисунку 7, до цієї мережі прикладена лінійна напруга (U_л=U_ф√3), і замикається ця мережа через опори ізоляції фаз відносно землі - r₂ і r₃.

 

Рисунок 7 - Принципова схема трифазної мережі,

ізольованої від землі.

 

Оскільки опір людини (R_h) при аналізі небезпеки ураження електричним струмом приймається рівним 10³ Ом, а опір ізоляції відповідно до ПУЭ має бути щонайменше 10⁵ Ом (1кОм на вольт напруги), то величина струму через людину в мережі замикання на землю, що розглядається, визначається практично опорами ізо­ляції r₂ і r₃ фаз відносно землі. При пошкодженні r₂ і r₃ величина струму в мережі замикання на землю, в тому числі і струму через людину, може зрости на 2 порядки, що значно збільшує небезпеку ураження людини електричним струмом. Тому в мережах, ізольо­ваних від землі, з метою попередження подібних ситуацій і відповідно до вимог електробезпеки, обов'язковим є постійний контроль опору ізоляції "на сигнал", а в умовах підвищеної небезпеки електротравм - "на відключення".

Одним із можливих варіантів в ізольованій від землі мережі при доторканні людини до проводу 1 є пробій ізоляції цього проводу і замикання його на землю (стрілка "33" пунктиром на рисунку 10). У цьому випадку в мережі замикання на землю паралельно людині з'явиться додатковий струмопровід "33", а струм замикання на землю розподілиться між людиною і пробоєм на землю обернено пропорційно їх опорам. Тому доторкання людини до проводу з пошкодженою ізоляцією (з пробоєм на землю) є більш безпечнішим, ніж доторкання до цього проводу при відсутності його замикання на землю. На цьому принципі можлива реалізація методів захисту людини - при її доторканні до струмопровідних частин, останні автоматично засобами захисту замикаються на землю.

Чотирипровідна трифазна мережа з глухозаземленою нейтраллю

Принципова схема трифазної чотирипровідної мережі з глухозаземленою нейтраллю наведена на рисунку 8

У такій мережі нейтраль трансформатора живлення заземлена через r₀ <<R_л - опору людини. При доторканні людини, яка стоїть на землі, до фазного проводу 1 утворюється мережа струму: "провід 1" - "людина" - "земля" - r₀- "фаза1". У цій мережі зазначені елементи з'єднані послідовно, а найбільший опір має елемент "людина" - 10³ Ом. Опір інших елементів проходженню струму знаходиться в межах 10 Ом. У порівнянні з мережею, ізольованою від землі, у да ному випадку, в мережі струму через людину відсутній опір ізоляції, який, згідно з вимогами безпеки, становить щонайменше 10⁵ Ом.

 

Рисунок 8 - Схема трифазної чотирипровідної мережі з глухозаземленою нейтраллю

 

Тому величина струму через людину при її доторканні до неізольованих струмовідних частин (фазного проводу), які знаходяться під напругою, в мережах з глухозаземленою нейтраллю має бути на два порядки більшою, ніж в мережах, ізольованих від землі при нормальному стані ізоляції і близькою до величини струму через людину в мережі, ізольованій від землі, при наявності в ній фаз з пошкодженою ізоляцією, до яких не доторкається людина.

Таким чином, мережі з глухозаземленою нейтраллю при доти­ку людини до неізольованих струмовідних частин є більш небез­печними щодо тяжкості електротравм, ніж мережі, ізольовані від землі. Незважаючи на це, якраз мережі з глухозаземленою нейтраллю застосовуються на виробництві та в побуті. І тільки в гірни­чодобувній промисловості і на торфорозробках, відповідно до вимог електробезпеки, обов'язковим є застосування мереж, ізольо­ваних від землі.

Такий підхід до вибору режиму нейтралі електричної мережі обумовлений, в основному, такими обставинами:

- в умовах виробничих підприємств, громадських установ, житлового сектору і т.ін. забезпечення необхідного опору ізоляції при застосуванні мереж, ізольованих від землі, пов'язано з певни­ми технічними і економічними проблемами;

- в мережах з глухозаземленою нейтраллю можливо забезпечити більш ефективний захист при пошкодженні ізоляції і переході напруги на неструмовідні частини електроустановок.

Таким чином, згідно з зазначеним вище, до основних чинників, які впливають на тяжкість ураження електричним струмом (на І_h) при попаданні людини під напругу, можна віднести:

- величину напруги мережі живлення, В;

- величину напруги дотику (U_дот, В), під яку потрапляє людина;

- конструктивні особливості мережі живлення — кількість фаз і режим нейтралі;

- величину опору і стан ізоляції — перш за все в мережах живлення, ізольованих від землі;

- протяжність і розгалуженість мережі живлення, які впливають на r_із і ємність відносно землі.

Вплив перерахованих чинників і особливостей виробничого середовища експлуатації електроустановок на небезпеку електротравм враховується при розробці нормативних актів з питань електробезпеки, технічних і організаційних заходів попередження електротравм та електрозахисних засобів.